makalah apk koe

ALAT PENUKAR KALOR

A. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Penukar kalor adalah alat – alat yang digunakan untuk mengubah

temperatur fluida atau mengubah fasa fluida dengan cara mempertukarkan

kalornya dengan fluida lain. Kalor yang dapat dipindahkan diantara fluida

tersebut, besarnya sangat bergantung pada kecepatan fluida, arah alirannya, sifat

– sifat fisik fluida, kondisi permukaan dan luas bidang perpindahan panas, serta

beda temperatur diantara kedua fluida.

Penukar kalor yang lazim digunakan yaitu dimana satu fluida terpisah

dari fluida lainnya oleh suatu dinding pembatas atau sekat-sekat yang dilalui oleh

panas. Penukar kalor ini disebut rekuperator (recuperator). Alat ini terdiri atas

berbagai macam bentuk, dari pipa didalam pipa yang sederhana dan beberapa

foot persegi permukaan perpindahan panas sampai kondensor dan evaporator.

Sebuah shell dan penukar panas tabung adalah desain penukar panas.

Ini adalah jenis yang paling umum dari penukar panas di kilang minyak dan

lainnya proses kimia yang besar, dan cocok untuk aplikasi tekanan yang lebih

tinggi. Seperti namanya, jenis penukar panas terdiri dari shell (besar bejana

tekan) dengan bantalan tabung di dalamnya. Satu berjalan cairan melalui tabung,

dan lain aliran fluida atas tabung (melalui shell) untuk mentransfer panas antara

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

kedua cairan. Set tabung disebut bundel tabung, dan mungkin disusun oleh

beberapa jenis tabung: polos, bersirip longitudinal, dll.

Untuk dapat mentransfer panas dengan baik, bahan tabung yang baik harus

memiliki konduktivitas termal. Karena panas dipindahkan dari sisi panas ke dingin

melalui tabung, ada perbedaan suhu melalui lebar tabung. Karena kecenderungan

material tabung untuk memperluas termal yang berbeda pada berbagai suhu, tegangan

termal terjadi selama operasi. Hal ini merupakan tambahan untuk setiap stres dari tinggi

tekanan dari cairan sendiri. Bahan tabung juga harus kompatibel dengan kedua sisi kulit

dan cairan tabung untuk waktu yang lama di bawah kondisi operasi ( suhu , tekanan,

pH , dll) untuk meminimalkan kerusakan seperti korosi . Semua persyaratan untuk

mendapatkan ketahanan yang lama, termal-konduktif, tahan korosi, tabung bahan

berkualitas tinggi, biasanya logam , termasuk paduan tembaga , stainless steel , baja

karbon , non-ferrous paduan tembaga, Inconel , nikel , Pelindung dan titanium. Sedikit

pilihan tabung bahan bisa mengakibatkan kebocoran melalui tabung antara shell dan sisi

tube fluida menyebabkan kontaminasi silang dan kemungkinan hilangnya tekanan.

Tujuan

Adapaun tujuan dari penyusunan makalah ini adalah :

Mengetahui jenis-jenis selongsong dan tabung

Mengetahui komponen-komponen utama selongsong dan tabung

Mengetahui Proses atau cara mengitung Perpindahan panas

selongsong dan tabung

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

. Mengetahui aplikasi atau penggunaan selongsong dan tabung

Batasan Masalah

Adapun batasan masaklah pada penulisan makalah ini adalah sebagai

berikut :

Bagaimana selongsong dan tabung sebagai penukar kalor

Proses perpindahan panas pada selongsong dan tabung

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

B. TEORI

Dua cairan, temperatur awal yang berbeda, mengalir melalui penukar panas. Satu

mengalir melalui tabung (sisi tabung) dan aliran lain di luar tabung tapi di dalam shell

(sisi shell). Panas dipindahkan dari satu fluida ke yang lain melalui dinding tabung,

baik dari tabung sisi ke sisi shell atau sebaliknya. Cairan dapat berupa cairan atau gas

baik pada shell atau sisi tabung. Untuk perpindahan panas secara efisien, besar

perpindahan panas daerah harus digunakan, yang mengarah ke penggunaan tabung

banyak. Dengan cara ini, panas limbah dapat dihukum digunakan. Ini adalah cara

yang efisien untuk menghemat energi.

Aliran simulasi untuk sebuah shell dan gaya exchanger tabung; inlet shell adalah di

bagian belakang atas dan outlet di latar depan di bagian bawah

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Beberapa Macam selongsong dan tabung

Penukar kalor jenis shell and tube merupakan penukar kalor yang paling

sederhana dari semua jenis penukar kalor dan banyak diproduksi dalam berbagai

ukuran. Alat ini banyak digunakan sebagai alat bantu pada mesin-mesin stasioner.

Jenis alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/silinder besar) dimana di dalamnya

terdapat satu bundle (berkas) pipa dengan diameter yang relatif kecil. Satu jenis

fluida mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir di bagian luar

pipa tapi masih di dalam sh ell-nya. Gambar 1. berikut ini menunjukkan bentuk

potongan memanjang dari jenis shell and tube, disertai dengan penamaan komponen-

komponennya (standar).

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Gambar 1. Bentuk Penukar kalor jenis Shell and Tube

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Jenis shell and tube ini dibedakan atas :

1. Jenis fixed tube sheet.

Jenis ini digunakan untuk kondisi operasi pada temperatur yang relatif rendah,

dimana pemuaian bahan pada temperatur operasi sangat kecil.

Gambar 2. Penukar Kalor Jenis Fixed Tube Sheet

2. Jenis floating tube sheet.

Pada jenis ini bila terjadi pemuaian pada tube. tidak akan menimbulkan

tegangan pada shell maupun pada tube karena salah satu tube sheetnya tidak terikat

pada shell (floating), sehingga jenis ini sangat cocok dioperasikan pada temperatur

tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Gambar 3. Penukar Kalor Jenis Floating

3. Jenis U-tube; U-bundle.

Di sini hanya dibutuhkan satu tube sheet saja, pada ujung lainnya pipa

dibengkokan dengan bentuk U. Penukar kalor jenis ini akan dapat bekerja pada

tekanan tinggi dan dapat digunakan pada fluida -fluida yang tidak boleh

bercampur.

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Gambar 4. Penukar Kalor U Tube4. Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)

Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-sendiri.

Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, Penukar kalor ini dibentuk menjadi

U (lihat Gambar 5).

Gambar 5. Penukar kalor jenis pipa ganda

Pada beberapa keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan

memindahkan panas, bagian luar pipa diberi sirip. Bentuk sirip bermacam-macam, ada

yang memanjang, melingkar.

Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dan

karena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil.

Kelemahannya adalah kapasitas perpindahan panasnya relatif kecil.

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

5. Jenis Lamella

Jenis Lamella (Gambar 6), biasanya digunakan untuk perpindahan panas dari

gas ke gas pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas

yang tinggi.

Gambar 6. Penukar Kalor Jenis Lamella

C. Komponen Utama Penukar Kalor Shell and Tube

Komponen utama dari penukar kalor jenis Shell and Tube ini adalah

terdiri dari pipa (berkas pipa), Selongsong, Bagian kepala depan dan belakang

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Selongsong (front-end head). Pengarah aliran (baffle), dan tube sheet. Untuk lebih

jelasnya diuraikan sebagai berikut :

1. Shell

Konstruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tube yang akan ditempatkan

di daIamnya. Shell dapat dibuat dari sebuah pipa yang berdiameter besar atau

dapat juga dibuat pada sebuah pelat logam yang diroll. Shell merupakan badan

penukar kalor dimana didalamnya terdapat tube bundle (berkas pipa). Kedua

ujung shell ini akan diberi penutup yang dipasangkan dengan flens. Kadang

kadang permukaan dalam shell dilengkapi dengan alur untuk menempatkan

berkas pipa pada posisi yang baik di dalam shell. Untuk temperatur operasi yang

sangat tinggi, kadang-kadang shell dibagi dua dan disambungkan dengan

sambungan ekspansi. Bentuk-bentuk shell yang lazim digunakan ditunjukkan

pada Gambar 10.

Gambar 10. Bentuk – bentuk Shell dan Penutupnya

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

2. Tube (Pipa)

Tubes atau pipa-pipa memegang peranan yang sangat penting di dalam

penukar kalor. Dinding pipa merupakan bidang pemisah kedua jenis fluida

yang mengalir di dalamnya dan sekaligus berfungsi sebagai bidang perpindahan

panas. Bahan dan ketebalan dnding pipa harus dipilih agar diperoleh

penghantaran panas yang baik dan juga harus mampu bekerja pada tekanan

operasi fluida kerjanya. Susunan tubes biasanya dipasang menurut konfigurasi

segitiga atau segiempat (Gambar 11)

Gambar 11. Susunan Berkas Pipa dalam Shell

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Konfigurasi susunan tersebut didasarkan atas pertimbangan untuk mendapatkan

jumlah pipa yang banyak atau untuk kemudahan perawatan (pembersihan

permukaan pipa).

3. Tube Sheet

Tube sheet merupakan bagian yang penting pada penukar kalor. Bagian ini

merupakan tempat disatukannya pipa-pipa pada bagian u jungnya . Tube sheet ini

dibuat tebal dan pipa harus terpasang rapat tanpa bocor pada tube sheet. Dengan

konstruksi f lu ida y a n g mengalir pada badan shell tidak akan tercampur dengan

fluida yang mengalir didalam tube. Penyambungan antara tube sheet dengan pipa

merupakan hal yang paling penting untuk diperhatikan, karena.segala kegagalan

penyambungan ini akan menyebabkan kebocoran dan pencampuran kedua

fluida di dalam penukar kalor.

Terdapat dua jenis tube sheet, yaitu

a. Fixed tube sheet, dimana tube sheet dipasang kokoh pada shell. Biasanya

tube sheet ini dipasang dengan cara compression fitting (dengan baut-mur).

Untuk keperluan khusus dapat dilakukan sambungan las.

b. Floating tube sheet; tube sheet ini tidak dikatkan pada shell,tetapi

terpasang dengan baik pada tube bundle (berkas pipa). Pemakaian floating

tube sheet biasanya dimaksudkan untuk mengatasi ekspansi termal pada

operasi temperatur tinggi. Untuk mencegah tercampurnya fluida di dalam

penukar kalor, pada bagian saluran pipa dipasang tutup tube sheet.

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

4. Baffle

Baffle berfungsi untuk mengubah dan mengatur arah aliran di dalam Shell dan

sekaligus dapat berfungsi sebagai support berkas pipa dan mengatur spacing dari

pipa-pipa. Baffle ini berupa piringan yang dilubangi untuk penempatan pipa dan

bentuknya dibuat sedemikian rupa agar aliran fluida diluar pipa dapat menyentuh

permukaan luar pipa secara efektif untuk perpindahan panas. Terdapat dua jenis

baffle. Yaitu jenis plat dan rod (grid). Baffle yang berbentuk plat terbagi menjadi

single-segmental, double-segmental, atau triple-segmental, seperti yang

ditunjukkan pada gambar 12.

Gambar 12. Bentuk – bentuk Baffle

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

C. PENGGUNAAN

Penukar panas dengan hanya satu fase (cair atau gas) di setiap sisi bisa disebut satu-

fase atau penukar panas tunggal. Fase dua penukar panas dapat digunakan untuk

memanaskan cairan mendidih ke gas (uap), kadang-kadang disebut boiler , atau

dingin uap berkondensasi ke dalam (cairan disebut kondenser ), dengan perubahan

fasa biasanya terjadi pada kulit samping. Mesin steam boiler di lokomotif biasanya

besar, biasanya berbentuk cylindrically shell dan tabung penukar panas. Dalam

pengggunaan yang besar pembangkit listrik tenaga uap yang digerakkan dengan

turbin , shell-dan-tabung permukaan digunakan untuk mempercepat pembuangan uap

keluar turbin ke dalam kondensat air yang didaur ulang kembali akan berubah

menjadi uap dalam pembuat uap.

D. PROSES PERPINDAHAN PANAS

Untuk penukar kalor jenis shell dan tube ini, analogi tahanan

thermalnya seperti pada gambar 13, dimana pada gbr. 13.a merupakan arah

aliran dari penukar kalor jenis ini dan gbr. 13.b merupakan tahanan thermal

yang terjadi pada bagian dalam penukar kalor (pipa bagian dalamnya).

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

(a) (b)

Gambar 13. Perpindahan panas menyeluruh pada PK

Dalam hal ini, Laju perpindahan panas menyeluruh dinyatakan

dengan persamaan (Holman,J.P,1986) :

q = ∆T

1h i A i

+ In (r o/ri )2πkL

+ 1ho A 0

………………………(1)

Dimana :

q = Laju perpindahan panas menyeluruh (W/m2.K)

ΔT = Beda temperatur kedua fluida (oC)

hi = Koefisien perpindahan panas tube bagian dalam (W/m2.K)

ho = Koefisien perpindahan panas tube bagian luar (W/m2.K)

ro = Jari – jari luar tube (m)

r1 = Jari – jari dalam tube (m)

k = Konduktivitas thermal bahan (W/m2.K)

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Sesuai dengan jaringan thermal sebagaimana ditunjukkan pada

gambar 19. Besaran Ai dan Ao merupakan luas permukaan dalam dan luar

tabung . Koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas

bidang dalam atau luar tabung.

U i = 1

1hi

+A i In( ro/ri )

2πkL +

A 0

A i

1ho

……..………………….(2)

Atau

U0 = 1

A0

A i

1h i

+ Ao∈¿¿¿……..………………….(3)

Dapat pula diperoleh dengan persamaan (Kakac, Sadik ,1997):

U =

1

ro

ri

x1hi

+ro

ri

R fi+roIn (r o/ ri

)k

+Rfo+1ho

……………………(4)

Dimana :

U = Koefisen perpindahan panas total penukar kalor (W/m2.K)

hi = Koefisien perpindahan panas seksi tube bagian dalam (W/m2.K)

ho = Koefisien perpindahan panas seksi shell (pipa bagian luar)

(W/m2.K)

ro = Jari-jari luar tube (m)

ri = Jari-jari dalam tube (m)

k = Konduktivitas thermal bahan (W/m.K)

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Untuk menghitung koefisien perpindahan panas total pada penukar

kalor jenis shell and tube ini, terlebih dahulu koefisien perpindahan panas

masing – masing shell dan tube harus dihitung. Untuk menentukan koefisien

perpindahan panas berdasarkan Kern Metode sebagai berikut :

a. Koefisen Perpindahan Panas Shell ( air panas )

Koefisien perpindahan panas pada shell (Kakac, Sadik,1997)

adalah :

ho De

k=0.36 (De Gs

μ )0.55

(Cp μk )

1 /3

(μb

μw)

0.14

..................................... (5)

Dimana :

ho = Koefisien perpindahan panas pada shell (W/m2.K)

De = Diameter Ekuivalen (m)

Gs = Kecepatan aliran massa shell (kg.m2/s)

Cp = Panas Spesifik fluida (kJ/kg.oC)

µb = Viskositas Dinamis Fluida pada temperatur borongan

(kg/m.s)

µw = Viskositas Dinamis Fluida pada temperatur dinding (kg/m.s)

k = Konduktivitas Thermal Fluida (W/m.K)

Sifat – sifat dari fluida dievaluasi pada temperatur borongan rata -

rata shell. Sedangkan untuk menghitung diameter ekuivalen, tergantung dari

bentuk susunan pipa. Untuk bentuk susunan pipa segitiga, maka :

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

De =

4 ( Pt2 √34

-π d0

2

8 )π do/2

...............................…………..(6)

Dimana :

PT = jarak sumbu pipa (m)

do = Diameter luar pipa (m)

do

C1 Pt

Gambar 20 : Bentuk pipa dengan sumbu 60o

Untuk kecepatan aliran massa shell dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan :

Gs =m h

As

…………………………………….(7)

Dimana :

m h= Laju aliran massa fluida shell(kg/s)

As = Luas berkas aliran (m2)

Untuk menghitung Laju aliran massa fluida shell (Mh) dapat diperoleh

dengan :

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

m h =ρ .Q h ………………………………….(8)

Dimana :

ρ = Massa jenis fluida panas (kg/m3)

Qh = Kapasitas fluida panas (m3/s)

Untuk menghitung Luas berkas aliran (As) dapat diperoleh dengan :

As=Dis .C1 . LB

PT

………………………………….(9)

Dimana :

Dis= Diameter dalam Shell (m)

C1 = Clearance (m)

LB = Jarak Baffle (m)

PT = Jarak antar Sumbu tube (m)

Untuk menghitung clearance dapat diperoleh dengan :

C1 = PT - do ……………………………….(10)

Dimana :

do = diameter luar tube (m)

Sedangkan untuk memperoleh viskositas dinamis fluida pada

temperatur dinding dapat diperoleh dari tabel (lampiran 2) dengan

mengevaluasi temperatur dinding dari persamaan

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Tw =12

(Tc1+ Tc2

2+

Th1+Th2

2 ) …………………….(11)

Dimana :

Tc1 = Temperatur fluida dingin masuk PK (oC)

Tc2 = Temperatur fluida dingin keluar PK (oC)

Th1 = Temperatur fluida panas masuk PK (oC)

Th2 = Temperatur fluida panas keluar PK (oC)

b. Koefisien Perpindahan Panas Tube (air dingin)

Koefisien perpindahan panas pada tube dapat diperoleh dari

(Kakac,Sadik,1997) :

hi =Nuc kc

d i

……………………………..(12)

Dimana :

hi = koefisien perpindahan panas tube (W/m2.K)

Nuc = Bilangan Nusselt tube

kc = Konduktivitas thermal fluida tube (W/m.K)

di = diameter dalam tube (m)

Untuk memperoleh bilangan Nusselt pada tube dapat dihitung dengan


Nu c =(f /2 ) ( Reb - 1000 ) Pr

1+12.7 (f /2 )1 /2 (Pr2 /3 - 1)……………………..(13)

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

ƒ=(1.58 In Re-3.28)-2

Dimana :

Rec = Bilangan Reynolds tube

Prc = Bilangan Prandtl tube

Untuk menghitung bilangan Reynolds dapat diperoleh dari persamaan.

R e =ρ Vm d i

μ ……….………………………(14)

Dimana :

ρ = Densitas Fluida tube (Kg/m3)

Vm = Kecepatan rata – rata fluida dalam tube (m/s)

di = Diameter dalam tube (m)

µ = Viskositas dinamis fluida seksi tube (N.s/m2)

Untuk menghitung kecepatan rata – rata fluida dalam tube dapat

diperoleh dari persamaan :

Vm= mc

ρ A tp Nt

……………………………….(15)

Dimana :

m c = Laju aliran massa seksi tube (Kg/s)

Atp = Luas permukaan tube (m2)

Nt = Jumlah tube

Untuk menghitung Laju aliran massa fluida tabung (Mc) dapat

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

diperoleh dengan :

m c =ρ .Q c ………………………………….(16)

Dimana :

ρ = Massa jenis fluida dingin (kg/m3)

Qc = Kapasitas fluida dingin (m3/s)

Untuk menghitung luas permukaan pipa dapat diperoleh dari persamaan :

Atp= πd i

2

4 ………………………………….(17)

Dimana :

di = Diameter dalam tube (m)

c. Koefisien Perpindahan Panas Shell Bagian Luar

Koefisien perpindahan panas pada shell bagian luar dapat diperoleh dari

(Kakac,Sadik,1997) :

hos=Nu k

L ……………………………………..(18)

Dimana :

hos = koefisien perpindahan panas shell (W/m2.K)

Nu = Bilangan Nusselt

k = konduktivitas thermal fluida (W/m.K)

L = panjang shell (m)

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

Untuk memperoleh bilangan Nusselt dapat dihitung dengan


Nu 1 /2 =0,387 Ral

1/6

[1+(0,559/ Pr)9 /16 ]8 /27 ……………………(19)

Dimana :

Ral = Bilangan Rayligh

Pr = Bilangan Prandtl

Untuk memperoleh bilangan Rayligh dapat dihitung dengan


Ral = Gr x Pr……………………………………..(20)

Dimana :

Gr = Bilangan Grashof

Pr = Bilangan Prandtl

Untuk memperoleh bilangan Grashof dapat dihitung dengan


Gr = g x β x (T w−T ¿ l3 ¿………….……………………….

(21)

Dimana :

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

g = gaya gravitasi

Tw = Temperatur dinding shell

T = Temperatur udara

= Viskositas kinematik

E. KESIMPULAN

1) Jenis-jenis alat penukar kalor selongsong dan tabung :

Jenis fixed tube sheet

Jenis floating tube sheet

Jenis U-tube; U-bundle

Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)

Jenis Lamella

2) Komponen-komponen utama selongsong dan tabung :

shell

tube

tube sheet

baffle

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

3) Salah satu aplikasi dari alat penukar kalor selongsong dan tabung adalah

pada pembangkit listrik tenaga uap.

4) Laju perpindahan panas :

q = ∆T

1h i A i

+ In (r o/ri )2πkL

+ 1ho A 0

Koefisien perpindahan panas shell

ho De

k=0.36 (De Gs

μ )0.55

(Cp μk )

1 /3

(μb

μw)

0.14

Koefisien perpindahan panas tube

hi =Nuc kc

d i

Koefisien perpindahan panas shell bagian luar

hos=Nu k

L

.

KELOMPOK IV

ALAT PENUKAR KALOR

F. DAFTAR PUSTAKA

Kakac sadik, liu hongtan,(1997). Heat exchanger selection, rating, and thermal design. CRC Press, Wanghiston DC.

KELOMPOK IV

makalah apk koe

Documents